Фундаментальные взаимодействия

Существует четыре типа сил, определяющих все явления природы. Это сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное взаимодействия. За счет сильных взаимодействий удерживаются внутри ядра протоны и нейтроны. Радиус действия сильных взаимодействий , характерное время взаимодействия с. Константа сильного взаимодействия имеет величину порядка 10¹. Электромагнитное взаимодействие присуще электрически заряженным частицам и фотонам. Константа электромагнитного взаимодействия . Радиус действия – бесконечность, характерное время взаимодействия с. Слабое взаимодействие ответственно за все виды – распада. Радиус действия , характерное время взаимодействия с, константа взаимодействия . Гравитационное взаимодействие универсально. В нем участвуют все частицы и все тела Вселенной. Константа взаимодействия , радиус действия не ограничен. Всем четырем видам фундаментальных взаимодействий присущ обменный механизм. Впервые эта идея была использована для объяснения электромагнитного взаимодействия².

Согласно представлениям квантовой электродинамики заряженная частица, например, покоящийся электрон, непрерывно излучает и поглощает фотоны

.

Такой процесс в рамках классической физики невозможен, так как сопровождается нарушением закона сохранения энергии. В рамках квантовой физики, если электрон излучил или поглотил фотон за время , то неопределенность в значении энергии системы . Таким образом, если , то обнаружить излучение и поглощение фотона невозможно, поэтому такого рода частицы называют виртуальными. Процесс взаимодействия между двумя зарядами сводится к обмену виртуальными фотонами. В 1934 г. русский физик И.Е.Тамм предположил, что взаимодействие между нуклонами происходит подобным образом. В 1935 г. японский физик Юкава определил, что переносчиками ядерных взаимодействий являются частицы, масса которых значительно больше массы электрона, но меньше в несколько раз массы протона. В 1936 г. американский физик К.Андерсон с помощью камеры Вильсона обнаружил в космических лучах частицу, которая получила название – мезон. Ее масса была 207 , однако переносчиком ядерных взаимодействий эта частица быть не могла³. И только в 1947 г. американские физики Оккиалини и Поуэл открыли в космических лучах частицы, получившие название – мезонов. Масса заряженных – мезонов 273 . Возможны следующие виртуальные процессы

; ; ; .

Обмен виртуальными мезонами различных нуклонов и приводит к сильному взаимодействию между ними. Например, . Согласно современным представлениям, переносчиком слабых взаимодействий являются , , бозоны. Предполагается, что переносчиком взаимодействия являются гравитоны.⁵

Вывод: согласно современным представлениям, взаимодействия между элементарными частицами сводятся к обмену виртуальными частицами. В зависимости от вида виртуальных частиц, интенсивности протекания, характерного времени, радиуса действия взаимодействия разделяют на четыре типа: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное. В настоящее время предпринимаются попытки построения единой теории, которая носит название Суперобъединение.

Частицы и античастицы

В 1928 г. английский физик П.Дирак создал волновую теорию, учитывающую релятивистские эффекты. Теория позволяла объяснить многие квантовые свойства электрона, однако получалось, что при заданном импульсе энергия электрона может быть как положительной, так и отрицательной

.

Для обоснования возможности существования частиц с отрицательной энергией Дирак предложил рассматривать вакуум как состояние материи, в котором все уровни с отрицательным значением энергии полностью заполнены электронами, а уровни с положительными значениями энергии свободны (рис. 96.1).

Значение уровня с наименьшим значением энергии можно найти из условия , где . Наибольшее возможное значение уровня с отрицательной энергией , также получается из условия . Между уровнями с положительной энергией и уровнями с отрицательной энергией существует энергетический барьер

МэВ.

Если электрону, находящемуся на уровне сообщить энергию , то он может перейти на уровень , на котором он будет проявлять себя как обычный электрон с положительным зарядом, но при этом образуется вакансия на (рис. 96.2).

Отсутствие частицы с отрицательной массой и отрицательным электрическим зарядом можно воспринимать как образование частицы с положительной массой и положительным зарядом.⁶ Частица получила название позитрона. В 1932 г. К.Андерсон обнаружил позитрон в космических лучах. Переход электрона с уровня ⁷ под действием кванта, несущего энергию , воспринимается как рождение отрицательно заряженного электрона и положительно заряженного позитрона, поэтому суммарный электрический заряд системы остается неизменным. Схему рождения отражает уравнение

.

Если электрон и позитрон оказывается в одном и том же месте, то происходит обратный процесс перехода электрона с уровня на уровень . При этом электрон и позитрон исчезают, а образуется два -кванта, разлетающихся в разные стороны

.⁸

Такой процесс превращения называется аннигиляцией. Позитрон является античастицей по отношению к электрону.

Появилось предположение, что у любой частицы должна быть античастица. В 1955 г. американские физики Э.Серге и О.Чемберлен обнаружили антипротон

,

а в 1956 г. был открыт антинейтрон. Аннигиляция р и происходит по схеме

.

В электромагнитных и сильных взаимодействиях имеется полная симметрия между частицами и античастицами. Это означает, что из антинейтрона может образоваться антидейтрон. В 1965 г. он был получен в США. В 1969 г. на Серпуховском ускорителе были получены ядра антигелия и антитрития.

Существуют частицы, которые тождественны своим античастицам. К ним относятся фотон, -мезон и ряд других частиц. Они не аннигилируют. Согласно современным представлениям, Вселенная состоит из вещества⁹.

Вывод: в природе выполняется принцип зарядового сопряжения, согласно которому для каждой частицы должна существовать античастица, которая имеет такую же массу покоя, но противоположные по знаку возможные виды зарядов. При встрече частицы и античастицы происходит их аннигиляция. У фотона, -мезона и ряда других частиц античастица совпадает с самой частицей. Такие частицы называют истинно нейтральными. Наша Вселенная состоит из частиц, избыток вещества над антивеществом образовался на ранней стадии развития Вселенной.

Лекция№10